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第8章 真空断路器.ppt

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第8章 真空断路器,,,8-1 概 述 真空断路器的独特优点: 以真空作为绝缘和灭弧介质,耐压高,开断能力强; 电弧在真空容器中燃烧,对周围环境无要求; 开关触头开距小,总体积小; 寿命长,适合频繁操作开合; 无环境污染、无噪声; 可靠性高,免维修。,8-2 真空绝缘及其击穿,引起真空绝缘破坏的机理(击穿原因):①场致发射②粒子交换③微放电,1、场致发射和预击穿过程,触头端的小尖端和微观突起,引起电场增强,导致金属中自由电子的冷阴极发射,形成预击穿电流。使阴极突起的自发熔化和蒸发,产生大量金属蒸汽,被场致发射电子引起间隙击穿---阴极加热击穿;由阴极发射的电子流轰击阳极,使其局部受热产生热斑,阳极材料熔化击穿---阳极加热击穿。场致发射击穿通常发生在电极间距较小时。,2. 微粒迁移引起的击穿,对于尺寸在0.1~100um的金属/非金属大原子团,电极表面松散吸附的微粒、金属尘埃等称为一次微粒; 大电流燃弧时的电侵蚀作用熔滴形成大量金属颗粒称为二次微粒。 这些微粒对真空间隙击穿有很大作用。且击穿电压与间隙距离有关系。,3. 电极的二次发射,间隙中的正离子、负离子等撞击阴极而引起二次电子发射,间隙中带电微粒数越来越多,电流迅速增大造成击穿。,,4、真空击穿的统计特性,真空间隙击穿的引发因素主要来源于电极表面,可用“击穿弱点”统一描述。 击穿弱点:存在于电极表面、在电场应力作用下有可能引发击穿的各种因素的总称。,5、影响真空击穿的因素,电极的几何形状和大小电极的几何形状直接影响电场分布,曲率半径越大击穿越困难。但当D1MM时,半径小反而能提高击穿电压;电极面积越大,引发击穿的弱点数目越多,放电概率增加,真空击穿电压降低。 电极间隙的大小与击穿类型有关,,电极材料 见表8-1 材料越硬、 机械强度越高 、 击穿电压越高。 如材料的熔点、比热、密度等 真空度 由大气压开始抽真空时,击穿电压有所下降,但进一步降压时又会上升。,,老练作用是一种电极表面处理措施,通过在电极上加高压使电极间隙发生连续的火花放电。若干次处理后,间隙击穿电压显著提高。,8.3真空电弧的基本特性,1.真空电弧的引燃 ①间隙绝缘击穿引弧②外界高压脉冲触发引弧③触头分开是由金属蒸汽桥爆炸产生电弧,,真空电弧是由阴极斑点产生的金属蒸汽维持的一种低压电弧。 单个阴极斑点所承载的电流是一定的(如铜100A),斑点数目与电流大小和阴极材料有关。如图8-3,,2. 真空电弧的形态 电弧一旦产生,即处在综合力作用下: ①自身环向磁场产生的收缩力; ②内部各种粒子相互碰撞产生的气体压力; ③外界磁场产生的磁场力。,,1)扩散型真空电弧 A、发生在小电流切断中,一个斑点电弧电流约100A,而从阴极向阳极的金属蒸汽电弧呈锥形弧柱; B、大于100A的大电流,会形成多个斑点和多个锥形电弧,互不影响; C、阴极斑点在触头表面不停的在移动,运动趋势是由电极中心向边缘运动。出现“逆向运动”与符合安培定律所指方向相反。,,D、在阳极没有斑点,因阳极接收电子和离子,且电弧一直在运动,所以阳极表面温度很低,有利熄弧. E、阴极斑点也在不停运动,所以阴极斑点不会熔化,在电流过零时,也很快熄灭.,,2)集聚型真空电弧 当电弧电流大到某一临界值后,阴级斑点不再向外围移动,而是集聚在一个或几个较大的面积上,并使阳极也开始出现斑点,这种热量集中会使斑点熔化,形成更多金属蒸汽,电弧电压降低,使电弧很难熄灭,达到极限开断能力.,,3.真空电弧的伏安特性真空电弧电压(扩散型)的伏安特性是正特性,即电弧电压随电流增加而上升。,8-4触头结构与材料,触头结构与材料是影响开断能力和寿命的关键 分类:非磁吹触头---平板圆柱型磁吹触头(横磁触头、纵磁触头),,①横磁触头电流在转弯处形成横向磁场,电流在此横向磁场作用下,向外沿受力移动达到触头边缘,最终熄灭。 ②纵磁触头电流依靠触头特殊结构形成纵向磁场,可以稳定电弧,防止大电流真空电弧在阳极表面集聚,提高了分断力。关键是使电流在触头表面横向流动,从而产生纵向磁场,使电弧在圆盘边缘燃烧。,8-5真空中的开断,真空电弧是依靠阴极斑点产生电子、正离子及中性金属蒸汽来维持电弧,当蒸汽不足即电流过零时就会熄灭。 直流电弧电压降很小,很难熄灭,故可制造人造零点(采用一个换向装置)。,,断口间隙在电弧熄灭后,会被恢复电压击穿重燃。,,重燃的原因为: ①电极过量放气,当空间超过100M个原子时会击穿重燃; ②阴极表面微小颗粒维护强烈的场致复发形成新斑点; ③当外场增强到500KV/cm发生击穿; ④电流过零后,间隙中等离子消散速度不够,影响介质绝缘恢复。,弧后介质强度恢复过程,电流在过零时(在过零点前),突然灭弧电流提前到零(发生截流现象),间隙中导电离子向外扩散,这时间隙由完全导电状态过
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